Разработка программного комплекса для исследования

Введение В настоящее время интенсивно развивается направление в области построения телекоммуникационных систем с динамической топологией сети (ТКС с ДТС). В ряде зарубежных источников подобные системы называются MANET (Mobile Ad hoc Networks). Основное назначение подобных сетей — организация связи между подвижными объектами — людьми, автомобилями, железнодорожным и водным транспортом. Дальнейшая тенденция развития MANET — это их полная интеграция в другие системы связи общего или специального использования. Однако, согласно исследованиям , в качестве передаваемой информации, как правило, используются файлы небольшого объема, содержащие информацию, некритичную к задержкам. Дальнейшим направлением развития ТКС с ДТС является построение систем связи, предназначенных для передачи интенсивного трафика, в том числе и трафика реального времени (голосовой и видеоинформации) . Исследования, проводимые зарубежными и отечественными учеными, показывают, что на современном уровне развития в MANET-системах практически невозможна передача трафика реального времени при значениях скорости более 0,5 Мбит/с при общей площади развертывания сети не более 4 км2, что неприемлемо при организации передачи информации между железнодорожным или водным транспортом. Причиной, вызывающей невозможность передачи трафика реального времени с большой скоростью, являются особенности работы протоколов канального и сетевого уровней, вызванные сильным влиянием формального представления топологических изменений MANET-систем, которые используются в программных комплексах, предназначенных для исследования ТКС с ДТС . Основным математическим аппаратом для представления топологических изменений в MANET-сетях стала теория случайных графов, согласно которой перемещение узлов сети представляется в виде броуновского движения, при этом детерминированность траектории движения узлов не учитывается, что некорректно при рассмотрении в роли сетевых узлов объектов транспорта. В связи с вышеизложенным целью наших исследований являлась корректировка формальной интерпретации топологических изменений, разработка математической модели процесса оценки качества работы ТКС с ДТС, создание алгоритма функционирования программного комплекса по анализу правильности выбора параметров ТКС с ДТС. В качестве основы формального представления топологических изменений целесообразно воспользоваться моделью «мерцающего графа» , сущность которой сводится к представлению динамической топологии сети в виде эволюционирующего графа, который дискретно меняет свое состояние: , (1) где — граф, описывающий топологию в течение времени стационарного состояния . Граф сети, находящийся в состоянии k + 1, отличается от графа, находящегося в состоянии k, на некоторое приращение . показывает количество добавленных или изъятых ребер из топологии в процессе перехода системы из состояния k в состояние k + 1: . (3) В рассмотренном представлении, в отличие от известной модели дискретного времени , допускается, что . Это позволяет распространять его на ТКС с ДТС, в которых отсутствует период повторения топологических состояний. Обобщение выражений (1), (2) позволяет на понятийном уровне представить процесс преобразования топологических изменений в пространстве (когда топология сети изменяется вследствие изменения взаимного расположения узлов сети относительно друг друга) к топологическим изменениям во времени (когда топология сети изменяется вследствие открытия или закрытия каналов связи между узлами). Значения времени «открытия» и «закрытия» каналов связи между узлами сети определяются из условий движения узлов и параметров оборудования. Анализ времени открытия или закрытия каналов связи позволяет судить о связанности топологии в телекоммуникационной системе в процессе перемещения сетевых узлов и, как следствие, принимать решение о принципиальной работоспособности сети. Подобное принятие решения позволяет при автоматизированном проектировании отсеивать заведомо неработоспособные топологии. В целом процесс оценки работоспособности проектируемой сети целесообразно осуществлять в два этапа: на уровне аналитического моделирования и на уровне имитационного моделирования, по результатам исследования вырабатывается решение о годности или непригодности заданной топологии для оказания заданных сервисов. Формально процесс оценки можно представить в виде функционала , (3) где функционал — это аналитическая составляющая модели, при помощи которой определяется время взаимодействия сетевых узлов; — множество параметров подвижного i (траектория и скорость движения, параметры оборудования, отвечающие за дальность установления соединения при заданных качественных показателях трафика); — параметры статических узлов, имитационная составляющая модели показана в виде функционала и предназначается для оценки работы системы связи с учетом трафиковой нагрузки, алгоритмов работы используемых сетевых протоколов и других вероятностных характеристик сети, представленных в виде множества . Выходом аналитической составляющей модели является множество значений времени «открытия» и «закрытия» каналов между узлами-участниками сети: , (4) где — множество значений времени открытия канала между заданной парой узлов, — множество значений времени закрытия канала между заданной парой узлов. Элементы множеств и определяются при помощи математических моделей движения узлов сети и величины зоны покрытия каждого узла (подробно методика расчета времени взаимодействия двух подвижных узлов рассмотрена в ). Сущность методики сводится к тому, что на основании данных об условиях перемещения узлов и данных о размерах зоны покрытия составляются уравнения, решениями которых являются комплексные числа вида , и по их виду можно судить о характере взаимодействия узлов. Основные случаи можно описать следующим образом: ? если , то канал связи между узлами не открывался (с позиции теории графов это означает, что в топологии отсутствуют пути первого ранга между заданными парами узлов); ? если , и , то — время начала взаимодействия и — время окончания взаимодействия двух узлов; ? если и , то объекты начали взаимодействовать на момент начала эксперимента. Анализ значений матрицы, показанной в выражении (4), позволяет судить о связанности топологии (графа) сети в процессе перехода узлов из зоны действия друг друга. В упрощенном виде условие, по которому производится оценка связанности топологии сети, выглядит следующим образом: . (5) Условие означает, что время окончания взаимодействия с предыдущим узлом должно наступать несколько позже, чем время начала взаимодействия с последующим узлом. Условие (5) является необходимым для обеспечения связанности сети с динамической топологией, достойность (определение разности ) определяется скоростью работы управляющих систем телекоммуникационного оборудования, находящегося на узле, которое, согласно , определяется из соотношения , (6) где — время, необходимое для достоверной оценки уровня сигнала, необходимого для передачи трафика с заданными параметрами качества, по каналу между подвижными узлами; — время, необходимое оборудованию для принятия решения об открытии нового канала. С физической точки зрения процедура передачи подвижного узла между соседними подвижными или стационарными узлами в целом аналогична процедуре эстафетной передачи в существующих системах подвижной связи. В зависимости от способа управления сетью решение о передаче узлов может приниматься либо непосредственно на самом узле, при децентрализованном управлении, либо в центре управления при централизованном управлении. В качестве основного контролируемого параметра, на основании значения которого принимается решение о «закрытии» или «открытии» канала с другими узлами, наиболее целесообразно использовать уровень мощности, при достижении определенного порогового значения которого включается процедура предупреждения, а в случае достижения некоторого допустимого значения происходит принятие решения либо о переходе на работу с другим узлом сети, либо о прекращении передачи информации, что фактически приводит к потере связанности топологии сети. Поскольку выражениями (1)-(3) в целом допускается отсутствие детерминированности топологических изменений, то процесс смены канала целесообразно представить при помощи цепи Маркова, как это было уже сделано в применительно к процедуре эстафетной передачи между базовой станцией и абонентским терминалом (рис. 1). На рис. 1 (по аналогии с ) приняты обозначения: U1 — оптимальный уровень приема на Vj (Vj+2, … Vj+m, m — четное число, ); U2 — выработка сигнала предупреждения о приближении уровня сигнала на приеме к пороговому значению ; U3 — состояние закрытия канала связи между заданной парой узлов; U4 — процедура смены соседнего узла (от Vj к Vj+1); U5 — выработка сигнала предупреждения о приближении уровня сигнала на приеме к пороговому значению , на Vj+1 (Vj+3,… Vj+n, n — нечетное число, ). Основываясь на том, что процедуры смены состояния системы события несовместимые, а также на теоретических положениях, приведенных в , условия перехода состояний системы можно представить в виде следующих выражений: , , ; (7.1) , , , (7.2) ; (7.3) ; (7.4) , ,; (7.5) , ,; (7.6) . (7.7) Массив формул (7.1)-(7.7) с формальной позиции описывает процесс принятия решения о «закрытии» или «открытии» каналов связи между подвижными узлами сети, что необходимо как при написании алгоритмов работы программных комплексов по моделированию ТКС с ДТС (с целью повышения достоверности результатов моделирования за счет учета условий распространения сигнала в пространстве), так и при создании систем автоматизированного управления ТКС с ДТС. После положительных результатов проверки топологии сети на связанность, согласно условиям (5), (6), производится исследование работы ТКС с ДТС для оказания необходимой номенклатуры сервисов. В результате исследований получаются множества параметров оценки качества мультисервисного трафика (задержка передачи, вероятность пот ри джиттер-пакетов), которые сравниваются с нормированными значениями, например, рекомендованными концепцией QoS (Quality of Service). Формально данный процесс можно представить в виде (8) где — множество показателей работы ТКС, полученных в ходе имитационного моделирования; — множество нормированных параметров качества работы системы. Если — топология системы признается годной для оказания заданной номенклатуры сервисов, и — в противном случае. В алгоритмическом виде процесс работы программного комплекса, описываемого при помощи выражений (3)-(8), представлен на рис. 2. В настоящее время аналитическая часть модели частично реализована в виде программы для ЭВМ «Программа расчета времени доступа к канальному ресурсу в системе связи с динамической топологией сети» , а имитационная реализована на базе среды моделирования телекоммуникационных систем Network Simulator . Совместное использование двух программных продуктов позволяет сократить общее время исследования ТКС с ДТС в 2,5 раза по сравнению с временем использования исключительно средств имитационного моделирования. Выводы Корректировка формальной интерпретации топологических изменений позволила перевести процесс изменения топологии в пространстве (когда топология сети изменяется вследствие изменения взаимного расположения узлов сети относительно друг друга) к топологическим изменениям во времени (когда топология сети изменяется вследствие открытия или закрытия каналов связи между узлами), что позволяет рассматривать динамические и статические составляющие общей топологии сети как единое целое. Разработанная математическая модель процесса оценки качества работы ТКС с ДТС с учетом проведенной корректировки позволяет проводить исследование топологии сети в два этапа: на первом этапе проверяется связанность, на втором — возможность передачи мультисервисного трафика. В результате формируется решение о пригодности или непригодности заданной ТКС с ДТС для работы в заданных условиях. Представленный в алгоритмическом виде процесс работы программного комплекса, основанный на разработанной модели, показывает, каким образом производится выбор ТКС с ДТС, реализация которой наиболее целесообразна в заданных условиях. Таким образом, разработанные теоретические положения открывают возможности для разработки комплексов программ по моделированию телекоммуникационных систем с динамической топологией сети. Статья поступила в редакцию 7.06.2011 Ad hoc networks, Technologies and Protocols / Edited by Prasant Mohapatra (University of California‚ Davis), Srikanth V. Krishnamurthy (University of California‚ Riverside) Springer Science + Business Media, Inc. 2005. — 295 p. Amitava Mukherjee, Somprakash Bandyopadhyay, Debashis Saha. Location Management and Routing in Mobile Wireless Networks. — Artech House, BostonLondon, 2003. — 250 p. Fundamentals of Telecommunications Second Edition / Roger L. Freeman A John Wiley Sons, Inc., Publication, 2005. — 700 p. Marcin Szczodrak, Jinwoo Kim and Yuncheol Baek. [email protected]: Implementing 4G in the Military Mobile Ad-Hoc Network Environment // IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security. — 2007. — Vol. 7, N 4. — P. 70-79. Mobile, wireless, and sensor networks technology, applications, and future directions / Edited by Rajeev Shorey (IBM Research Indian Institute of Technology) / A. Ananda, Mun Choon Chan, Wei Tsang Ooi (National University of Singapore), Published by John Wiley Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. — 2006. — 452 p. Ramin Hekmat. Ad-hoc networks: Fundamental properties and network topologies; Technology, The Netherlands and Rhyzen Information and Consulting Services, Zoetermeer, the Netherlands. — 2006. Yi Lu. Adaptive and heterogeneous mobile wireless networks / Center for Education and Research in Information Assurance and Security. — Purdue University, West Lafayette, 2004. — 160 p. Описание систем связи с динамической топологией сети при помощи модели «мерцающего» графа // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. — 2009. — № 2. — С. 134-139. Werner M. Routing and Dimensioning in Satellite Networks with Dynamic Topology: Genehmigten Dissertation Doktor-Ingenieurs, 2002. Werner M. A dynamic routing concept for ATM-based satellite personal communication networks // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. — 1997. — N 15 (8). — P. 1636-1648. , , Построение систем связи с динамической непериодической топологией // Инфокоммуникационные технологии. — 2008. — Т. 6, № 1. — С. 34-39. , Модель для разработки протоколов маршрутизации в системах связи с динамической топологией сети // Научно-технические ведомости СПбГПУ. — 2008. — № 3 (60). — С. 156-160. , Системы подвижной радиосвязи с пакетной передачей информацией. Основы моделирования. — М.: Горячая линия — Телеком, 2007. — 176 с. Программа расчета времени доступа к канальному ресурсу в системе связи с динамической топологией сети / , / Св-во о гос. рег. прогр. для ЭВМ № 2010612322; зарег. 15.06.2010. Программный пакет Network Simulator — NS-2 /